基于ANSYS的汽车铝合金轮毂弯曲疲劳分析及优化_宋渊
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and adding the restrictions
1.2 轮毂弯曲试验轴端力计算
轮毂所受的最大载荷[8]可以表示为
Fmax =
W×ni 3
+
G 6
（1）
式 中 ：W— ——汽 车 自 身 的 重 量 ，ni— ——载 荷 影 响 系
数；G— ——汽车满载负荷，G 取 5 个人再加上货 物
的重量，即：
G=（5×70+100）×9.8=4 410 N
参考各部分的系数选择其载荷影响系数[8]：
ni=n1·n2·n3·n4
（2）
式中：n1— ——考虑轮毂制造质量系数， 一般取值：
1-1.1；n2— ——考虑路面工况影响系数， 一般取值：
1.1-1.2；n3— — — 考 虑 汽 车 装 载 系 数 ， 一 般 取 值 ：1.1；
图 4 0 °加载轴变形图 Fig.4 Deformation diagram of loading axle (0 °)
图 8 90 °变形图 Fig.8 Deformation diagram (90 °)
图 9 157.5 °应力图 Fig.9 Stress diagram (157.5 °)
（3）
式中：μ— ——汽车在行驶时, 路面与轮胎之间的摩
擦系数, 其值取为 0.7；R— ——静负荷半径, 取值为
R=(14×25.4＋195×0.6) ×0.5＝0.236 3 m；D— ——轮毂
的偏置距又叫偏径, 取值为 0.035 m；F— ——轮毂最
大额定载荷， 由轮毂厂规定， 取 F＝Fmax＝575 5 N；
基于 ANSYS 的汽车铝合金轮毂弯曲疲劳分析及优化
宋渊，徐燚
（230009 安徽省 合肥市 合肥工业大学 机械与汽车工程学院）
［摘要］ 轮毂是汽车重要的部件，因为它起到承载整个汽车重量的作用。 为了达到高强度和轻量化的要求，
在对汽车的轮毂进行设计时，需要对其形状及尺寸上进行合理的优化设计，以减轻汽车轮毂的质量。 采用
1 汽车轮毂有限元模型
轮毂主要是由轮辐和轮辋构成， 本文研究的 是铸造制的铝合金辐板式轮毂， 建立五通风孔辐 板式轮毂模型，采用整体深槽式轮辋。 汽车进行弯 曲试验时，根据 GB/T5334-2005《车用车车轮性能 要 求 和 试 验 方 法 》， 实 验 系 统 中 包 括 加 载 轴 ， 连 接
第 51 卷 第 8 期 Vol． 51 No． 8
农业装备与车辆工程 AGRICULTURAL E农Q业UI装PM备EN与T车&辆V工EH程ICLE ENGINEERING
Biblioteka Baidu
2013 年 8 月 Augu2s0t 12301年3
doi：10．3969 ／ j．issn．1673－3142．2013．08．007
图 5 45 °应力图 Fig.5 Stress diagram (45 °)
图 6 45 °变形图 Fig.6 Deformation diagram (45 °)
S— ——强化实验系数，即安全系数，取 1.6。 求得弯
矩：M=1 845 N·m。 进而可以由公式：
f＝M/L
（4）
式中：L 为加载力臂的长度，取值为 0.6m。
求出轮毂所受到偏心力：f＝3 075 N
2 轮毂弯曲疲劳试验仿真及分析
轮毂弯曲疲劳试验的实际载荷是连续作用在 加载轴端部的周期作用力。 在 ANSYS 中如果对整 个过程全部进行模拟， 那么模拟的时间将相当巨 大。 实际分析过程只分析一个周期，在加载轴的底 端施加负载。 由于轮毂所承受的是反复的弯曲负 荷，因此在仿真过程中，作用力的施加方式是以等 间隔角度依次施加于的测试轴底端上。 本文将作
选择自动生成的自由划分的网格。 在自由网 格划分时,轮毂选择网格划分水平值是 5，加载轴 的网格精度设置为 6，约束的形式以试验为依据。 轮毂下 J 部被螺栓卡死， 因此有限元前处理中要 将轮毂下 J 部中被螺栓固定的部分约束。 则划分 完网格和施加约束后的模型如图 2 所示。
图 2 划分网格与施加约束后轮毂模型 Fig.2 Wheel hub model after meshing
第 51 卷第 8 期
宋渊 等： 基于 ANSYS 的汽车铝合金轮毂弯曲疲劳分析及优化
25
盘，铝合金轮毂以及螺栓[2]等结构。 为了更真实的 模拟弯曲疲劳试验的工况，在 ANSYS12.0 中建立 仿真模型，进行了部分简化处理，采用粘接方式使 加载轴、安装盘、轮毂成一体便于力的传递。 所得 有限元结构模型如图 1 所示。
量减小了，确保轮毂在强度达到要求的前提下，使轮毂达到轻量化。
［关 键 词 ］轮 毂 ；弯 曲 疲 劳 分 析 ；ANSYS；优 化 ；轻 量 化
［中图分类号］ U463.343 ［文献标志码］ A
［文章编号］ 1673-3142(2013)08-0024-05
Bending Fatigue Analysis and Optimization of Aluminum Alloy Wheel Hub for Automobile Based on ANSYS
26
农业装备与车辆工程
用力在这一周期内作用的角度范围(360 °)等分为 16 等分，亦即作用力之问的间隔为 22.5 °，并依次 施加，共计进行分析 16 次而成一完整作用力周期 分析，由于轮毂为对称模型，在在圆周的某点受拉 肯定在其直径方向的点受压，因此只对 0 °～180 ° 进行加载分析， 采用第四强度理论。 即 von mises 应力表示。 见图 3～图 10。
表 1 轮毂与加载轴材料属性 Tab.1 Material properties of wheel hub and loading axle
材料类型 铝合金 钢
弹性模量 ／ MPa 7.2E004 2.1E005
泊松比 0.33 0.29
密度 ／ （t ／ mm3） 2.6E00-9 7.8E00-9
n4— ——其他影响系数，一般取值：1-1.1。 结合实际
情况, 各系数分别取值为 n1＝1.05, n2＝1.1, n3＝1.05,
n4＝1.05 ,将 各 系 数 代 入 式 (2),得 到 载 荷 影 响 系 数
ni＝1.27。
本 文 研 究 以 桑 塔 纳 2000-GLi-1.8 时 代 阳 光
图 1 弯曲试验有限元模型 Fig.1 Finite element model of bending test
1.1 单元类型及材料属性 选用 SOLID45 单元进行网格划分。 单元通过
8 个节点来定义，每个节点有 3 个沿着 x,y,z;方向 平移的自由度。 单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强 化、大变形和大应变能力[4]。 轮毂材料为 A356 的 铸造铝合金。 在有限元分析中, 材料特性参数的准 确与否将在很大程度上影响仿真效果和计算结果 的真实度。为了获得精确的材料特性属性值, 直接 从铝合金轮毂的轮缘处取样, 用静拉伸试验测得 轮毂及半轴材料特征参数如表 1。
从应力结果图可以看出：最大应力值为 178.4 MPa, 小于铝合金轮毅的屈服强度 240MPa。 轮毂 具有较大的强度储备, 因此有必要进行进一步的 优化设计以减轻整个轮毂的自重。 同时疲劳危险
图 7 90 °应力图 Fig.7 Stress diagram (90 °)
2013 年
图 3 0 °应力图 Fig.3 Stress diagram (0 °)
（国 2）为例，车的质量为 1 210 kg，则该车的重量
为：1 210×9.8＝11 858 N, 因此轮毂所受的最大载
荷为：Fmax＝（11 858×1.27）/3+4 410/6＝5 755 N。 轮
毂在实际工况下, 不仅支撑了整个汽车的载重, 而
且还承受了弯曲载[1] ,计算如下:
M=(R·μ+d)·F·S
收稿日期：2013－06－20 修回日期：2013－07－01
本文以 7180 型轿车轮毂型号 14*6.5J 为研究 对象，汽车轮毂采用铝合金材料。 轮毂的实体模型 的建立以及校核和优化是通过 ANSYS12.0 来进行 的。 在 ANSYS 建模完成后，在 ANSYS 中对轮毂进 行定义材料类型，然后划分网格，施加约束，然后加 载轮毂受到的弯曲载荷，查看轮毂的强度是否达到 要求。 在轮毂的尺寸优化方面,选取轮辋厚度、轮辐 厚度、安装凸台厚度以及凸台与辐板过渡半径这些 对轻量化设计影响较大的参数作为设计变量,同时, 根据铝合金的材料性质, 设置不超过其强度极限和 变形极限的变化范围作为状态变量, 以满足轮毂安 全使用性能, 以及尽可能地符合实际工况。
ANSYS 软 件 的 APDL 语 言 建 立 汽 车 五 辐 板 轮 毂 的 参 数 化 模 型 ，根 据 7180 型 轿 车 的 相 关 参 数 计 算 出 轮 毂 受
到 的 弯 曲 载 荷 ，运 用 ANSYS 软 件 进 行 弯 曲 疲 劳 分 析 ，进 而 进 行 轮 毂 的 尺 寸 优 化 。 通 过 优 化 分 析 ，轮 毂 的 质
0 引言
汽车车轮是汽车行驶系统中的重要组成部件 之一，它不仅承受着静态时车辆本身的自重，同时 也承受着汽车行驶过程中来自各个方向因启动、 制动、转向、物体冲击、路面不平等各种动态载荷 的作用， 因此汽车轮毂结构及其性能对整车安全 性和可靠性有着重要影响[6]。 同时经济性也是一辆 汽车竞争力的有力体现， 想要提高汽车的行驶速 度，而且达到节省油耗的目的, 所以必须保证有轮 毂在满足强度的前提下, 尽可能地减轻轮毂本身 的重量。 当前国内比较有代表性的是重庆大学的 周 渝 庆[3]和 河 北 工 业 大 学 的 王 利 辉 [7]分 别 利 用 有 限 元软件 ANSYS 和 MSC.NASTRAN, 以轮辐厚度和 轮辋的厚度作为设计变量, 弯曲疲劳强度作为状 态变量, 整个汽车轮毂的重量作为目标函数,进行 优化设计, 达到了轻量化设计的目的。
Song Yuan， Xu Yi （School of Mechanical and Automotive Engineering， Hefei University of Technology， Hefei City， Anhui Province 230009， China） ［Abstract］ Wheel hub is one of the important parts of automobile because of bearing the entire weight of the car． In order to achieve high strength and lightweight， reasonable optimization design on the shape and size was needed to reduce the weight of wheel hub． Parametric model of automobile wheel hub of five spoke plates was created by the APDL language which was provided by ANSYS software， and the bending load on wheel hub was calculated according to relevant parameters of 7180 car． Then the bending fatigue was analyzed with ANSYS software． At last， the size optimization was carried out． After the optimization and analysis， the weight of wheel hub was reduced． On the premise of ensuring the wheel hub strength， the lightweight of wheel hub was achieved． ［Key words］ wheel hub； bending fatigue analysis； ANSYS； optimization； lightweight
1.2 轮毂弯曲试验轴端力计算
轮毂所受的最大载荷[8]可以表示为
Fmax =
W×ni 3
+
G 6
（1）
式 中 ：W— ——汽 车 自 身 的 重 量 ，ni— ——载 荷 影 响 系
数；G— ——汽车满载负荷，G 取 5 个人再加上货 物
的重量，即：
G=（5×70+100）×9.8=4 410 N
参考各部分的系数选择其载荷影响系数[8]：
ni=n1·n2·n3·n4
（2）
式中：n1— ——考虑轮毂制造质量系数， 一般取值：
1-1.1；n2— ——考虑路面工况影响系数， 一般取值：
1.1-1.2；n3— — — 考 虑 汽 车 装 载 系 数 ， 一 般 取 值 ：1.1；
图 4 0 °加载轴变形图 Fig.4 Deformation diagram of loading axle (0 °)
图 8 90 °变形图 Fig.8 Deformation diagram (90 °)
图 9 157.5 °应力图 Fig.9 Stress diagram (157.5 °)
（3）
式中：μ— ——汽车在行驶时, 路面与轮胎之间的摩
擦系数, 其值取为 0.7；R— ——静负荷半径, 取值为
R=(14×25.4＋195×0.6) ×0.5＝0.236 3 m；D— ——轮毂
的偏置距又叫偏径, 取值为 0.035 m；F— ——轮毂最
大额定载荷， 由轮毂厂规定， 取 F＝Fmax＝575 5 N；
基于 ANSYS 的汽车铝合金轮毂弯曲疲劳分析及优化
宋渊，徐燚
（230009 安徽省 合肥市 合肥工业大学 机械与汽车工程学院）
［摘要］ 轮毂是汽车重要的部件，因为它起到承载整个汽车重量的作用。 为了达到高强度和轻量化的要求，
在对汽车的轮毂进行设计时，需要对其形状及尺寸上进行合理的优化设计，以减轻汽车轮毂的质量。 采用
1 汽车轮毂有限元模型
轮毂主要是由轮辐和轮辋构成， 本文研究的 是铸造制的铝合金辐板式轮毂， 建立五通风孔辐 板式轮毂模型，采用整体深槽式轮辋。 汽车进行弯 曲试验时，根据 GB/T5334-2005《车用车车轮性能 要 求 和 试 验 方 法 》， 实 验 系 统 中 包 括 加 载 轴 ， 连 接
第 51 卷 第 8 期 Vol． 51 No． 8
农业装备与车辆工程 AGRICULTURAL E农Q业UI装PM备EN与T车&辆V工EH程ICLE ENGINEERING
Biblioteka Baidu
2013 年 8 月 Augu2s0t 12301年3
doi：10．3969 ／ j．issn．1673－3142．2013．08．007
图 5 45 °应力图 Fig.5 Stress diagram (45 °)
图 6 45 °变形图 Fig.6 Deformation diagram (45 °)
S— ——强化实验系数，即安全系数，取 1.6。 求得弯
矩：M=1 845 N·m。 进而可以由公式：
f＝M/L
（4）
式中：L 为加载力臂的长度，取值为 0.6m。
求出轮毂所受到偏心力：f＝3 075 N
2 轮毂弯曲疲劳试验仿真及分析
轮毂弯曲疲劳试验的实际载荷是连续作用在 加载轴端部的周期作用力。 在 ANSYS 中如果对整 个过程全部进行模拟， 那么模拟的时间将相当巨 大。 实际分析过程只分析一个周期，在加载轴的底 端施加负载。 由于轮毂所承受的是反复的弯曲负 荷，因此在仿真过程中，作用力的施加方式是以等 间隔角度依次施加于的测试轴底端上。 本文将作
选择自动生成的自由划分的网格。 在自由网 格划分时,轮毂选择网格划分水平值是 5，加载轴 的网格精度设置为 6，约束的形式以试验为依据。 轮毂下 J 部被螺栓卡死， 因此有限元前处理中要 将轮毂下 J 部中被螺栓固定的部分约束。 则划分 完网格和施加约束后的模型如图 2 所示。
图 2 划分网格与施加约束后轮毂模型 Fig.2 Wheel hub model after meshing
第 51 卷第 8 期
宋渊 等： 基于 ANSYS 的汽车铝合金轮毂弯曲疲劳分析及优化
25
盘，铝合金轮毂以及螺栓[2]等结构。 为了更真实的 模拟弯曲疲劳试验的工况，在 ANSYS12.0 中建立 仿真模型，进行了部分简化处理，采用粘接方式使 加载轴、安装盘、轮毂成一体便于力的传递。 所得 有限元结构模型如图 1 所示。
量减小了，确保轮毂在强度达到要求的前提下，使轮毂达到轻量化。
［关 键 词 ］轮 毂 ；弯 曲 疲 劳 分 析 ；ANSYS；优 化 ；轻 量 化
［中图分类号］ U463.343 ［文献标志码］ A
［文章编号］ 1673-3142(2013)08-0024-05
Bending Fatigue Analysis and Optimization of Aluminum Alloy Wheel Hub for Automobile Based on ANSYS
26
农业装备与车辆工程
用力在这一周期内作用的角度范围(360 °)等分为 16 等分，亦即作用力之问的间隔为 22.5 °，并依次 施加，共计进行分析 16 次而成一完整作用力周期 分析，由于轮毂为对称模型，在在圆周的某点受拉 肯定在其直径方向的点受压，因此只对 0 °～180 ° 进行加载分析， 采用第四强度理论。 即 von mises 应力表示。 见图 3～图 10。
表 1 轮毂与加载轴材料属性 Tab.1 Material properties of wheel hub and loading axle
材料类型 铝合金 钢
弹性模量 ／ MPa 7.2E004 2.1E005
泊松比 0.33 0.29
密度 ／ （t ／ mm3） 2.6E00-9 7.8E00-9
n4— ——其他影响系数，一般取值：1-1.1。 结合实际
情况, 各系数分别取值为 n1＝1.05, n2＝1.1, n3＝1.05,
n4＝1.05 ,将 各 系 数 代 入 式 (2),得 到 载 荷 影 响 系 数
ni＝1.27。
本 文 研 究 以 桑 塔 纳 2000-GLi-1.8 时 代 阳 光
图 1 弯曲试验有限元模型 Fig.1 Finite element model of bending test
1.1 单元类型及材料属性 选用 SOLID45 单元进行网格划分。 单元通过
8 个节点来定义，每个节点有 3 个沿着 x,y,z;方向 平移的自由度。 单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强 化、大变形和大应变能力[4]。 轮毂材料为 A356 的 铸造铝合金。 在有限元分析中, 材料特性参数的准 确与否将在很大程度上影响仿真效果和计算结果 的真实度。为了获得精确的材料特性属性值, 直接 从铝合金轮毂的轮缘处取样, 用静拉伸试验测得 轮毂及半轴材料特征参数如表 1。
从应力结果图可以看出：最大应力值为 178.4 MPa, 小于铝合金轮毅的屈服强度 240MPa。 轮毂 具有较大的强度储备, 因此有必要进行进一步的 优化设计以减轻整个轮毂的自重。 同时疲劳危险
图 7 90 °应力图 Fig.7 Stress diagram (90 °)
2013 年
图 3 0 °应力图 Fig.3 Stress diagram (0 °)
（国 2）为例，车的质量为 1 210 kg，则该车的重量
为：1 210×9.8＝11 858 N, 因此轮毂所受的最大载
荷为：Fmax＝（11 858×1.27）/3+4 410/6＝5 755 N。 轮
毂在实际工况下, 不仅支撑了整个汽车的载重, 而
且还承受了弯曲载[1] ,计算如下:
M=(R·μ+d)·F·S
收稿日期：2013－06－20 修回日期：2013－07－01
本文以 7180 型轿车轮毂型号 14*6.5J 为研究 对象，汽车轮毂采用铝合金材料。 轮毂的实体模型 的建立以及校核和优化是通过 ANSYS12.0 来进行 的。 在 ANSYS 建模完成后，在 ANSYS 中对轮毂进 行定义材料类型，然后划分网格，施加约束，然后加 载轮毂受到的弯曲载荷，查看轮毂的强度是否达到 要求。 在轮毂的尺寸优化方面,选取轮辋厚度、轮辐 厚度、安装凸台厚度以及凸台与辐板过渡半径这些 对轻量化设计影响较大的参数作为设计变量,同时, 根据铝合金的材料性质, 设置不超过其强度极限和 变形极限的变化范围作为状态变量, 以满足轮毂安 全使用性能, 以及尽可能地符合实际工况。
ANSYS 软 件 的 APDL 语 言 建 立 汽 车 五 辐 板 轮 毂 的 参 数 化 模 型 ，根 据 7180 型 轿 车 的 相 关 参 数 计 算 出 轮 毂 受
到 的 弯 曲 载 荷 ，运 用 ANSYS 软 件 进 行 弯 曲 疲 劳 分 析 ，进 而 进 行 轮 毂 的 尺 寸 优 化 。 通 过 优 化 分 析 ，轮 毂 的 质
0 引言
汽车车轮是汽车行驶系统中的重要组成部件 之一，它不仅承受着静态时车辆本身的自重，同时 也承受着汽车行驶过程中来自各个方向因启动、 制动、转向、物体冲击、路面不平等各种动态载荷 的作用， 因此汽车轮毂结构及其性能对整车安全 性和可靠性有着重要影响[6]。 同时经济性也是一辆 汽车竞争力的有力体现， 想要提高汽车的行驶速 度，而且达到节省油耗的目的, 所以必须保证有轮 毂在满足强度的前提下, 尽可能地减轻轮毂本身 的重量。 当前国内比较有代表性的是重庆大学的 周 渝 庆[3]和 河 北 工 业 大 学 的 王 利 辉 [7]分 别 利 用 有 限 元软件 ANSYS 和 MSC.NASTRAN, 以轮辐厚度和 轮辋的厚度作为设计变量, 弯曲疲劳强度作为状 态变量, 整个汽车轮毂的重量作为目标函数,进行 优化设计, 达到了轻量化设计的目的。
Song Yuan， Xu Yi （School of Mechanical and Automotive Engineering， Hefei University of Technology， Hefei City， Anhui Province 230009， China） ［Abstract］ Wheel hub is one of the important parts of automobile because of bearing the entire weight of the car． In order to achieve high strength and lightweight， reasonable optimization design on the shape and size was needed to reduce the weight of wheel hub． Parametric model of automobile wheel hub of five spoke plates was created by the APDL language which was provided by ANSYS software， and the bending load on wheel hub was calculated according to relevant parameters of 7180 car． Then the bending fatigue was analyzed with ANSYS software． At last， the size optimization was carried out． After the optimization and analysis， the weight of wheel hub was reduced． On the premise of ensuring the wheel hub strength， the lightweight of wheel hub was achieved． ［Key words］ wheel hub； bending fatigue analysis； ANSYS； optimization； lightweight